成千上萬具有不同基因序列的短RNA分子可用作識別和沉默侵入基因組的安全措施，例如由病毒插入的DNA或稱為轉(zhuǎn)座子的寄生元件。

這些多樣的小RNA分子，稱為Piwi相互作用RNA(piRNA)，是由各種動物產(chǎn)生的，從昆蟲和蠕蟲到哺乳動物如小鼠和人類。在2月2日發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的一項新研究中，芝加哥大學(xué)的研究人員描述了piRNA如何找到外來基因序列來使它們沉默。他們還展示了適當(dāng)屬于基因組的內(nèi)源性或“自我”基因如何識別自身以避免這種額外的審查。

“幾乎所有的動物都有這些小RNA，它們用它們作為尋找靶序列并使它們沉默的指南，”UChicago分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)助理教授，新的高級作者Lee-Chi Lee博士說。研究。“但直到現(xiàn)在，它們的功能是多么神秘，以及為什么有這么多具有??如此多樣化的基因序列。”

嫌疑人數(shù)據(jù)庫

RNA充當(dāng)信使，以執(zhí)行在DNA中編碼的指令，以產(chǎn)生在體內(nèi)執(zhí)行基本功能的蛋白質(zhì)。在這項新研究中，Lee和他的同事們研究了線蟲蠕蟲C. elegans的生殖系統(tǒng)細(xì)胞產(chǎn)生的piRNAs，這是科學(xué)家研究的經(jīng)典模式生物，用于理解基本的生物過程。

Piwi相互作用的RNA是一種小RNA，與細(xì)胞中的Argonaute機(jī)器相關(guān)聯(lián)，可以搜索靶RNA并將其關(guān)閉。RNA使用與鏡像DNA序列相同的核苷酸鏈構(gòu)建，用相同的熟悉的A，C，G，U字母表示。一些小RNA需要精確匹配目標(biāo)序列以識別它們，就像尋找特定人的保安一樣。其他小RNA可以標(biāo)記部分匹配的基因，更像是根據(jù)一般描述尋找嫌疑人。

科學(xué)家們并不確定piRNA是如何找到它們的目標(biāo)的，部分原因是因為它們有很多。例如，Lee研究的線蟲具有超過15,000個具有不同核苷酸序列的piRNA。為什么會有這么多，他想知道，他們的目的是什么?

“目前還不清楚為什么細(xì)胞必須產(chǎn)生如此多的piRNA。它們?nèi)绱硕鄻踊灾劣诤茈y知道哪一種能夠識別哪種靶RNA。這種關(guān)系過于復(fù)雜，”Lee說。

當(dāng)Piwis識別他們的目標(biāo)時，他們會招募一組甚至更小的二級RNA，這些二級RNA對應(yīng)于目標(biāo)位點的序列，這是一種標(biāo)記它以引起注意的方式。知道了這一點，Lee和他的團(tuán)隊創(chuàng)建了一個合成的piRNA，其序列在蠕蟲中不存在，并跟蹤它創(chuàng)建標(biāo)記的位置。然后，通過檢查標(biāo)記的合成piRNA的不同序列，它們可以向后工作以找出其找到匹配的邏輯。

事實證明，piRNA需要與序列的一部分相當(dāng)匹配，但它們可以容忍其余部分的一些不匹配。似乎蠕蟲中存在許多未配對的Piwis，因為它為它們提供了許多可能的序列組合的工具箱，它們可能需要識別外源RNA并將其關(guān)閉。他們擁有一個可能的嫌疑人的完整數(shù)據(jù)庫，而不是尋找特定人員的保安人員，或者他們可以追蹤的人。

避免誤報

但他們?nèi)绾伪苊庹`報，或者錯誤地識別屬于那里的內(nèi)源性“自我”基因呢?為了找到答案，Lee和他的同事設(shè)計了更多的piRNA，可以識別屬于線蟲基因組的幾個眾所周知的基因。但是這組piRNA根本沒有沉默或影響內(nèi)源基因的功能，這意味著它們在某種程度上具有抗性。

研究人員還發(fā)現(xiàn)許多內(nèi)源基因具有額外的A和T核苷酸重復(fù)部分，這些部分將其標(biāo)記為“自我”而非外來的。該許可信號用作識別基因的憑證，用于顯示其所屬的piRNA系統(tǒng)的護(hù)照。

“我們證明了內(nèi)源基因能夠通過許可系統(tǒng)抵抗piRNA系統(tǒng)，這真的很酷，”Lee說。“他們所要做的就是用'自我'信號標(biāo)記自己。”

該研究揭示了影響動物生育能力的基本機(jī)制。以前的研究表明，如果Piwi基因發(fā)生突變，piRNA系統(tǒng)就會出現(xiàn)故障。然后，如果病毒或轉(zhuǎn)座子將外源DNA元件注入種系，或產(chǎn)生卵子和精子的生殖細(xì)胞，那么piRNA就不能檢測和沉默它們。這些未被發(fā)現(xiàn)的變化可能導(dǎo)致不育和生殖系統(tǒng)的其他問題。

一個困擾生物學(xué)家多年的實際障礙

該研究還解決了幾十年來一直困擾秀麗隱桿線蟲科學(xué)家的技術(shù)問題。當(dāng)研究人員想要研究特定基因時，他們經(jīng)常會進(jìn)行輕微修改，因此產(chǎn)生熒光的特殊蛋白質(zhì)標(biāo)簽可以附著在他們感興趣的基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)上。這在大多數(shù)類型的細(xì)胞中都很有效，但在種系中，piRNA系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了這些遺傳變化并關(guān)閉了熒光標(biāo)簽的產(chǎn)生。

Lee和他的團(tuán)隊展示了科學(xué)家們?nèi)绾畏乐惯@種情況發(fā)生。通過編輯piRNA識別的位點就足夠了，他們再也找不到了它們，但這些基因的功能仍然相同。研究人員還可以將相同的自我許可信號插入DNA的非編碼部分，以使變化看起來屬于內(nèi)源基因。這些技術(shù)還將允許科學(xué)家使用CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)來追蹤種系的變化。

“當(dāng)我第一次在一次會議上發(fā)表這篇文章時，在我的談話之后，我被30位科學(xué)家請求幫助所包圍，所以他們可以使用我們的算法來研究他們自己在生殖細(xì)胞中最喜歡的目標(biāo)，”Lee說。“它解決了過去20年來困擾秀麗隱桿線蟲生物學(xué)家的一個非常實際的障礙。”